Д6727 Федоров КМ Процессы и аппараты Лаб раб 6-10

Контрольные вопросы

1.Какой процесс называется регенерацией теплоты?

2.Как характеризуется эффективность работы регенератора?

3.Уравнение теплового баланса теплообменника.

4.Какие факторы влияют на интенсивность теплообмена?

5.Как определяется средняя движущая сила в теплооб-

меннике?

6.Критерии подобия процесса теплообмена.

7.Как определяются потери теплоты стенок аппарата в окружающую среду?

11

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

Исследование работы двухкорпусной выпарной установки

Введение

Выпаривание – это процесс удаления при кипении жидкого летучего компонента из растворов или неоднородных жидких систем с целью увеличения концентрации нелетучих компонентов.

Выпариванию подвергаются однородные растворы нелетучих веществ в летучем растворителе (например, сахара или соли в воде) и неоднородные системы – такие специфические для мясной и молочной промышленности, как кровь, бульоны, экстракты, молочные продукты.

Выпаривание отличается от процесса испарения. Испарение происходит с поверхности жидкой системы при любой температуре, в то время как выпаривание происходит по всему объему жидкой системы при температуре, соответствующей температуре кипения при данном давлении, и является более интенсивным процессом.

В процессе выпаривания летучая составная часть системы кипит и удаляется из нее в виде паров. Количество остающейся части системы уменьшается, а содержание нелетучих компонентов остается неизменным. Таким образом концентрация сухих веществ в ходе процесса непрерывно возрастает.

Основным фактором, определяющим интенсивность выпаривания и производительность выпарного аппарата, является температурный перепад t – разность между температурами теплоносителя (например, греющего пара tг.п ) и температурой кипения жидкой системы tкип , которая называется полезная разность температур:

t tг.п tкип

(14)

Температура кипения растворов всегда выше температуры растворителей, она зависит от химической природы растворенных веществ и растворителей и растет с увеличением концентрации растворов и внешнего давления.

Разность между температурой кипения раствора t и чистого растворителя tр при одинаковом внешнем давлении называется тем-

12

пературной депрессией 1, которую иногда называют физикохимической депрессией

1 t tp

(15)

Повышение температуры кипения раствора определяется наряду с температурной депрессией также гидростатической и гидравлической депрессиями.

Если жидкость кипит внутри вертикальной трубки, то температура кипения на поверхности будет ниже, чем внизу кипятильной трубки, так как к давлению вторичного пара в паровом пространстве прибавляется еще гидростатическое давление столба жидкости.

Если давление вторичного пара над раствором pв.п известно, то из таблиц свойств водяного пара можно найти температуру вторичного пара tв.п .

Прибавляя к давлению пара pв.п величину дополнительного

давления р, получают общее давление
p pв.п p .				(16)
Дополнительное давление принимают как среднее по высоте Н
слоя раствора давление:
p	ρgH	1 ε
				(17)
4			,

где – плотность жидкой системы, кг/ м3;

ε - паросодержание, ε =(0,4 0,6).

По этому давлению из таблиц свойств водяного пара находят температуру t.

Значение гидростатической депрессии

2 t tв.п .

(18)

Повышение температуры кипения раствора, из-за повышения давления в аппарате вследствие гидравлических потерь при прохождении вторичного пара через ловушки, сепараторы, выходной паропровод и т.д. называется гидравлической депрессией 3.

13

tкип

Таким образом, температура кипения жидкой системы в выпарном аппарате определяется по формуле

tкип tв.п 1 2 3 ,

(19)

где tв.п – это температура вторичного пара при давлении, равном давлению в конденсаторе выпарной установки.

Такой способ расчета tкип возможен при условии, что известно

давление в конденсаторе выпарной установки.

Если же это давление не известно, то температура кипения раствора может быть определена по следующей формуле

tкип tв.п 1 2 ,

(20)

где tв.п – температура вторичного пара в выпарном аппарате над рас-

твором, соответствующая его давлению.

Принцип работы многокорпусных выпарных установок состоит в том, что вторичный пар, полученный в первом аппарате (корпусе), поступает на обогрев второго корпуса, в котором давление в зоне кипения должно быть ниже давления вторичного пара в первом корпусе. Таким образом, выпаривание во втором корпусе происходит за счет использования теплоты вторичного пара из первого корпуса.

Первый корпус лабораторной установки работает на электрическом обогреве. В этом случае количество тепла, выделяемое электрическим нагревателем Q , определяется по формуле, Дж

Q IU N ,

(21)

где I – сила тока, А; U – напряжение, В; N – мощность электронагревателя, Вт; – продолжительность опыта, с.

Количество вторичного пара, полученного в первом корпусе, можно определить из уравнения теплового баланса

N m1c1 tкип tнач W1rв.п Qп ,

(22)

где m1 – масса раствора, кг; c1 – удельная теплоемкость, Дж/(кг°С);

– температура кипения раствора, °С ; tнач – начальная температура раствора, °С ; W1 – масса вторичного пара, полученная в первом корпусе за время , кг; rв.п – удельная теплота парообразования вторичного пара, Дж/кг; Qп – потери тепла в окружающую среду, Дж.

14

Если жидкость нагрета до температуры кипения, и, если не учитывать потери теплоты в окружающую среду (вся теплота пошла на выпаривание), то уравнение (22) примет вид

N W1rв.п .

(23)

При стационарном тепловом состоянии системы вся теплота, выделившаяся в электронагревателе, передается кипящей жидкости. В этом случае уравнение теплоотдачи

N F1 tст tкип.1 ,

(24)

где – коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей жидкости,

Втм2 о С ; tст – температура стенки, °С; F1 – площадь теплоотдачи, м2.

Температура стенки первого корпуса определяется с помощью двух термопар, закрепленных на наружной поверхности электронагревателя. По результатам измерений температуры поверхности в двух точках определяется температура стенки, как среднее этих двух замеров

t

t3 t4

.

(25)

ст	2

Второй корпус лабораторной установки обогревается вторичным паром, полученным в первом корпусе. В этом случае тепло, выделившееся при конденсации этого пара (без учета нагрева раствора до температуры кипения и потерь тепла) пойдет на парообразование.

Уравнение теплового баланса
W1 i	cкtк W2rв.п ,	(26)

где i – теплосодержание пара, Дж/кг; ск – удельная теплоемкость конденсата, Дж/(кг°С); tк – температура конденсата, °С; W2 – количество вторичного пара, образовавшегося во втором корпусе за время , кг.

Теплота от конденсирующего пара W2 передается к кипящей системе во втором корпусе за счет теплопередачи

15

Q2 kF2 t1 tкип.2 ,

(27)

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 °С); t1 – температура греющего пара (температура вторичного пара, вышедшего из первого корпуса), °С; F2 – поверхность теплопередачи, м2.

При установившемся процессе выпаривания во втором корпу-

се
W2rв.п Fk t1 tкип .2	.	(28)

Цель работы

1.Изучить процесс выпаривания жидкости в условиях естественной циркуляции (визуальное наблюдение).

2.Определить коэффициент теплоотдачи в первом корпусе

икоэффициент теплопередачи во втором корпусе по данным опытов.

3.Определить потери тепла в окружающую среду.

Описание установки

На рис. 3 приведена схема лабораторной установки. Первый корпус К1 работает на электрическом обогреве. Внутри медной трубы, установленной по центру стеклянной трубы, вмонтирована электрическая спираль, к выводам которой от автотрансформатора через ваттметр подведено питание. Между внутренней стенкой стеклянной трубы и наружной поверхностью медной трубы образуется кольцевой зазор, куда поступает жидкость из питательного бака ЕЗ.

Пароотделитель П4 центробежного типа состоит из стеклянного корпуса, внутри которого вмонтирован паропровод, соединенный с кипятильником. В этом трубопроводе установлен патрубок, пробка и отражатель. Патрубок установлен касательно к корпусу, что обеспечивает вращательное движение парожидкостной смеси. При вращении раствор отбрасывается к стенке корпуса и стекает по циркуляционной трубе Ц5 обратно в кипятильник, а вторичный пар проходит через отверстия отражателя и уходит через трубу во второй корпус К2 установки.

16

17

	~U
	Тр13
В12	N
		К1
Е3		t3
		d1
Вода		t4

	t1	Воздух
		Вторичный пар
		П4		П7
				К2
				t2
		Вода		Вода
		Ц5
				Ц8
	l1		l
h			2	h2
	1
				d2

М6

Рис.3. Схема экспериментальной установки

Рв

Вода

Н11

Рp

Воздух

Е10

К9

М12

W2

Конденсат

Вода

Конденсат

Вторичный пар, поступающий из первого корпуса подается внутрь кипятильной трубки, установленной по центру стеклянной трубы, где конденсируется и собирается в мернике М6. Во второй корпус жидкость также поступает из мерника ЕЗ. Второй корпус имеет пароотделитель П7 и циркуляционную трубу Ц8, которые работают так же как в первом корпусе.

Вторичный пар из второго пароотделителя П7 по трубе уходит в конденсатор К9. Пар сначала омывает наружную трубу кольцевого конденсатора, затем внутреннюю. Освободившийся от конденсата воздух уходит через патрубок в промежуточную емкость Е10 и далее откачивается водоструйным насосом Н11. Конденсат стекает в стеклянный корпус, который одновременно является мерником М12. При открытии крана конденсат из мерника Ml2 поступает в промежуточную емкость Е10, откуда через водоструйный насос Н11 удаляется из установки, который так же создает разряжение во втором корпусе выпарного аппарата.

Мощность, потребляемая электронагревателем первого корпуса, измеряется ваттметром В12 и регулируется при помощи автотрансформатора (ЛАТР) Тр13.

Пуск и работа выпарной установки

При открытии вентиля подачи воды, стрелка манометра покажет давление воды перед соплом водоструйного насоса НИ. Вода, выходя из сопла, будет увлекать за собой воздух. За счет этого в установке создается давление ниже атмосферного (вакуум), что можно наблюдать по вакуумметру Pр. При открытии крана вода пойдет в конденсатор К9, что можно наблюдать по струе воды, выходящей из трубки в воронку для слива. При открытии кранов раствор поступит в первый корпус К1 и во второй К2. При включении в сеть электронагревателя будет нагреваться раствор. После определенного времени раствор в первом корпусе закипит. Вторичный пар с капельками раствора поступает в пароотделитель П4, где происходит отделение от пара капелек жидкости, которые по циркуляционной трубе Ц5 возвращаются в корпус К1. Вторичный пар из первого корпуса уйдет во второй корпус и будет использован как греющий пар. Раствор, находящийся во втором корпусе К2, закипит и вторичный пар вместе с капельками раствора будет выбрасываться через рожок в корпус па-

18

роотделителя П7. Жидкость будет отбрасываться к стенке и стекать по циркуляционной трубе во второй корпус, а вторичный пар уйдет в конденсатор К9. Пар сконденсируется и конденсат опустится в нижнюю часть конденсатора (в мерник М12). Воздух будет откачиваться насосом Н11. Как только уровень конденсата в мернике будет подходить к конденсатору, необходимо открыть кран и конденсат насосом Н11 будет удален из установки. По окончании работы отключается подача питания на электронагреватель и подача холодной воды.

Методика проведения работы

Заполнить водой питательный бачок ЕЗ, затем открыть кран и наполнить первый корпус на заданную преподавателем высоту. Заполнить второй корпус на указанную высоту.

Регулируя вентилем давление воды перед соплом водоструйного насоса, создать определенное разрежение во втором корпусе.

Включить электрический нагреватель в сеть, установив ЛАТРом заданную мощность.

Сначала закипит вода в первом кипятильнике. Кипение во втором корпусе начнется после того, как жидкость прогреется до температуры кипения.

При установившемся процессе надо отметить время наполнения определенного количества конденсата вторичного пара в мерниках М6 и M12. Для этого надо закрыть краны слива из мерников и включить секундомер.

Далее следует следить за температурой по термометрам t1 , t2 . Установить температуру стенки по термопарам t3 и t4 . Уровень на-

полнения кипятильных трубок, вакуум во втором корпусе, мощность, потребляемую электронагревателем, надо поддерживать постоянными в течение опыта. Все наблюдения записываются в табл. 4.

Таблица 4

№

t

,

t

,

t

,

t

,

N,

W1 ,

W2 ,

,

H1,

H2,

опы-

1

2

3

4

м

м

C

C

C

C

Вт

см 3

см 3

с

та

1

2

3

19

Обработка опытных данных

1.По формуле (19) рассчитать температуры кипения жидкости

вкаждом корпусе tкип.1 и tкип.2.

2.Подсчитать поверхность теплообмена в каждом корпусе, м2,

F dнар.1l ,

где dнар.1 – наружный диаметр кипятильной трубы, м; l – длина ки-

пятильной трубы, м. Для первого корпуса: l1= 0,84 м, d1= 0,016 м. Для второго корпуса: l2 = 0,62 м, d2 = 0,018 м.

3. Из формулы (24) определить коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей жидкости в первом корпусе, Вт/(м2 °С),

			N			.
	F t	cт	t	кип.1
1

4. Вычислить потери тепла в окружающую среду в первом корпусе

Qп Q W1rв.п .

5. Из формулы (28) рассчитать коэффициент теплопередачи во втором корпусе

k		W2rв.п					.
	F	t	t	кип.2
2		1
6. Определить поверхностную					плотность теплового потока

в первом корпусе

q QF .

7.Результаты обработки опытных данных следует записать

втабл. 5.

8.Построить графики изменения и k от q .

20